Neutroner afslører potentielle farer ved guldnanopartikler - fremtidens lægemiddelleveringsmiddel

Forskere, der arbejder ved Institut Laue-Langevin, har vist, at ladningen af ​​guld nanopartikler, identificeret af store farmaceutiske virksomheder som fremtidens lægemiddelleveringsmiddel til behandling af kræft, påvirker, hvordan de interagerer med vores celles beskyttende ydervæg. Disse afgørende indsigter, udgivet i Langmuir , give et første skridt i det effektive design af sikre nanopartikler til biomedicinske anvendelser og praksis og procedurer for sikker håndtering af dem i en række andre forbrugerprodukter.

Den stigende brug af nanopartikler, små flager af materiale, 1 milliontedel på størrelse med et sandkorn, i en bred vifte af kommercielle produkter, såsom tøj, opbevaringsbeholdere til mad, lægemidler, kosmetik, dæk, elektronik og optiske enheder, er kontroversiel. Almindelige nanopartikler, såsom guld, sølv og kobber, let trænge igennem organiske membraner, (cellevægge, ...) skabe potentielt betydelige indvirkninger på menneskers sundhed og miljøet. Imidlertid, der er et område, hvor deres toksicitet kan vise sig nyttig og endda livreddende.

En stor udfordring i moderne medicin er at finde leveringsmidler, der er i stand til at målrette og penetrere celler for at transportere lægemidler direkte inde i det inficerede væv. Jagten på det rigtige køretøj har ført til et nyt forskningsfelt, 'nanomedicin', hvor nanopartikler kunne programmeres til at målrette mod kræftceller, f.eks. reducere eller endda eliminere behovet for operation.

Af alle de nanopartikler, der er tilgængelige for lægevidenskaben, en er især blevet et forskningsfokus blandt store medicinalvirksomheder – guld. AstraZeneca annoncerede sidste år et nyt forskningsprojekt for at se på en ny nanomedicin, CYT-6091, baseret på guld nanopartikler.

Guld nanopartikler er særligt gode leveringskøretøjer, fordi:

• De er nemme at 'loade' op med andre molekyler, såsom eksisterende kræftmedicin
• De er nemme at fremstille
• De er kemisk stabile inde i kroppen
• De tilbyder et unikt sæt optiske, elektroniske og termiske egenskaber, hvilket betyder, at de meget nemt kan 'tændes' inde i kroppen, når de ankommer til det rigtige sted.

Imidlertid, på nuværende tidspunkt forstår vi ikke i detaljer interaktionsmekanismerne mellem nanopartikler og vores celles ydre forsvar – cellemembranen. Uden dette er det umuligt at afgøre, hvor farlige de er, og om deres evne til at trænge ind og ødelægge celler nogensinde kan udnyttes til gode formål, som i kampen mod kræft.

En ting, der er kendt, er, at der er et komplekst sæt af parametre, der påvirker denne interaktion, inklusive nanopartiklernes form, størrelse, sammensætning og ladning. Men en systematisk undersøgelse, der viser, hvordan interaktionen afhænger af disse parametre på molekylært niveau, har hidtil manglet.

For at begynde at løse dette, et forskerhold fra Institut Laue-Langevin (ILL), University of Illinois og Australian Nuclear Science and Technology Organisation brugte ILL's neutroner og verdensførende neutronspredningsinstrumenter til at undersøge, på molekylært niveau, de fysiske ændringer, som vores cellevægge gennemgår, når de kommer i kontakt med guldnanopartikler af forskellig ladning.

Guldnanopartikler med en diameter på 2 nm havde enten kationiske (positivt ladede) eller anioniske (negativt ladede) grupper tilføjet til deres overflade. For at efterligne cellemembranen, forskerholdet brugte to dobbeltlag af fedtholdige lipidmolekyler holdt 20-30 Å oven på hinanden, der tilsammen producerede de dynamiske egenskaber, der ses i cellemembraner. Forskerne anvendte derefter neutronreflektometriske teknikker på ILL for nøjagtigt at modellere nanopartikel-cellemembran-interaktionen på en brøkdel af en nanometerskala.

Hvad de fandt var, at nanopartikeloverfladeladningen faktisk spiller en væsentlig rolle i at bestemme deres interaktion med vores cellemembraner. Kationiske nanopartikler passerer lige gennem lipidmembranen og indlejrer sig dybt i det flydende dobbeltlag, destabilisere hele membranstrukturen tilstrækkeligt til fuldstændigt at ødelægge cellen ved højere koncentrationer. I modsætning, anioniske nanopartikler trænger slet ikke ind i lipidmembranen. Hellere, ved givne koncentrationer hindrer de membrannedbrydning og hjælper den med at modstå den slags ekstreme forhold, såsom forhøjet pH, som normalt ville destabilisere den betydeligt.